Clausthal University of Technology
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Entwicklung eines Metall-Thermoplast-Verbundwerkstoffes bestehend aus Polyetheretherketon und Silicat beschichteten Kupfermikropartikeln für die direkte Laserbeschriftung
Full text linkUm eine möglichst hohe Flexibilität bei der Erzeugung von elektrisch leitfähigen Strukturen zu erreichen, wurde ein Kupfer-Polyetheretherketon-Verbundwerkstoff entwickelt, der sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit und seine im Grundzustand elektrisch isolierenden Eigenschaften auszeichnet. Der hohe Volumenanteil an Kupfermikropartikel im Polymerverbundmaterial von über 65 Vol.-% erlaubt eine direkte Metallisierung der Oberfläche mittels Laserbeschriftung wodurch leitfähige metallische Strukturen, mit einem hohen Freiheitsgrad an Formen und Strukturen, erzeugt werden konnten. Als Füllstoffe dienen sphärische Kupfermikropartikel, mit einem Partikeldurchmesser zwischen 25 und 45 μm. Ein einfaches Vermischen der Kupfermikropartikel und des Polyetheretherketons (PEEK) würde zu elektrisch leitfähigen Verbundmaterialien führen. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Verbundmaterials konnten durch dünne Silicatschichten um den Kupfermikropartikeln, die mit der Sol-Gel Reaktion gebildet wurden, erhalten werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials besitzt durch den hohen Metallgehalt eine zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit im Gegensatz zu dem reinen PEEK. Mit einem Nd:YAG-Laser konnten auf der Oberfläche elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt werden und deren resultierende Oberflächenmorphologie untersucht werden. Durch gezielte Anpassung der Laserparameter konnte die Leitfähigkeit der erzeugten Leiterbahnen erhöht werden
Rotor angle stability of multiconverter based autonomous microgrid with 100% VISMA control
Full text linkEs ist bekannt, dass einem autonomen Mikronetz eine angemessene Trägheit und Dämpfung zur Netzstabilisierung fehlt. Aus diesem Grund wurde die virtuelle Synchronmaschine (VISMA) eingeführt, um die erforderlichen Hilfsdienste durch die Steuerung von Stromrichtern bereitzustellen. In einem Multi-VISMA (n-VISMA) -Mikronetz hängt die relative Rotorwinkelstabilität des Stromnetzes von der Wirkleistungsbilanz nach einer kleinen Störung ab. Die Verwendung relevanter analytischer Modelle ist für die Stabilitätsanalyse von Mikronetzen unerlässlich. In dieser Dissertation wird eine umfassende Kleinsignal-Stabilitätsanalyse zur Untersuchung der inhärenten elektromechanischen Schwingungen in den virtuellen Rotoren vorgestellt. Die Teilsysteme des Mikronetzes, bestehend aus den VISMAs, dem Netz, den Lasten und dem äußeren Leistungsregler, wurden alle in einem synchron rotierenden Referenzrahmen modelliert. Das Kleinsignalmodell wurde auf einem IEEE-9-Bussystem getestet, wobei VISMA die elektromechanischen Synchronmaschinen im Netz ersetzten. Zur Validierung der entwickelten numerischen Analyse werden die dynamischen Reaktionen des Kleinsignalmodells mit denen der nichtlinearen Systemdynamik verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte linearisierte Kleinsignalmodell ausreicht, um das Verhalten des VISMA-Mikronetzes beim Betrieb im autonomen Modus genau zu charakterisieren. Die Eigenwertanalyse und die Parameterempfindlichkeiten der kritischen Modi wurden untersucht. Die Oszillationsbeteiligung der VISMAs und die Stabilitätsgrenze des Mikronetzes im eingeschwungenen Zustand wurden ebenfalls untersucht. Bevor jedoch die Stabilitätsanalyse des auf einem Multi-Umrichter basierenden Stromnetzes mit VISMA-Steuerung beginnt, müssen die stationären Betriebspunkte (SSOPs) aller dynamischen Knoten im Netz ermittelt werden. Modifizierte herkömmliche iterative Verfahren, die das Konzept der Pufferbus- Technik in einem Insel-Mikronetz verwenden, sind für die Lastflussanalyse eines VISMA- Mikronetzes mit ungeregelter Dynamik nicht praktikabel. In dieser Dissertation wird daher ein stationäres Grundfrequenzmodell in geschlossener Form für ein autonomes/inselnahes VISMA-Mikronetz vorgeschlagen, das das Konzept des virtuellen Pendelbusses verwendet. Bei dieser Technik werden die virtuellen internen Busse aller VISMAs im Netz durch die Swing-Gleichung geregelt. Die Spannung an allen Bussen ist variabel, mit Ausnahme der virtuellen Busse, bei denen die Polradspannungen vorgegeben sind. Der Algorithmus wurde um eine Pufferregelung erweitert, die für jede VISMA lokalisiert ist. Die Eignung des vorgeschlagenen Algorithmus zur Ermittlung der SSOPs von VISMA wurde an einem IEEE- 9-Bus-System mit VISMA als Ersatz für elektromechanische Synchronmaschinen sowie an einem 2-VISMA-Niederspannungsverteilungssystem getestet. Um die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Algorithmus zu validieren und seine Genauigkeit zu beweisen, wurden die Fallstudiensysteme auch in der SIMULINK-Umgebung für eine detaillierte Zeitbereichsanalyse modelliert. Der Algorithmus erwies sich als rechnerisch effizient für eine Lastflussanalyse des VISMA-Mikronetzes. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Hinzufügung einer externen Pufferregelung die Frequenzstabilität des Systems verbessert. Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version).Autonomous microgrids are known to lack appropriate inertia and damping for grid stabilization. Due to this, a virtual synchronous machine (VISMA) has been introduced to provide necessary ancillary services through the control of power converters. In a multi- VISMA (n-VISMA) microgrid, relative rotor angle stability of the power system is dependent on the active power balance after a small perturbation. Using relevant analytical models is an essential issue for microgrid stability analysis. In this PhD dissertation, a comprehensive small-signal stability analysis to study the inherent electromechanical oscillations in the virtual rotors is presented. The subsystems of the microgrid consisting of VISMAs, network, loads and the outer power controller were all modelled in Synchronously- rotating Reference Frame. The small-signal model was tested on IEEE-9 bus system with VISMA replacing the electromechanical synchronous machines on the network. To validate the developed numerical analytics, dynamic responses of the small-signal model are compared with those of the nonlinear system dynamics and the results reveal that the developed linearized small-signal model is sufficient to accurately characterize behaviour of the VISMA microgrid when operated in autonomous mode. Eigenvalues analysis and parameter sensitivities of the critical modes were investigated. Oscillatory participations of the VISMAs and steady state stability limit of the microgrid have also been investigated. However, before starting the stability analysis of the multiconverter based power system with VISMA control, it is necessary to obtain the steady-state operating points (SSOPs) of all dynamic nodes in the network. Modified traditional iterative schemes using the concept of droop bus technique in an islanded microgrid are not feasible for load flow analysis of VISMA microgrid incorporating non-control dynamics. This dissertation thus proposes a closed-form steady-state, fundamental-frequency models for autonomous/islanded VISMA microgrid using the concept of virtual swing bus. In this technique, the virtual internal buses of all VISMAs in the network are governed by the swing equation. The voltage at all buses is variable except the virtual buses in which the pole wheel voltages are prespecified. The algorithm was extended by a droop control localized to each VISMA. The suitability of the proposed algorithm to obtain SSOPs of VISMA was tested on IEEE-9 bus system with VISMA replacing electromechanical synchronous machines and also on a 2-VISMA low voltage distribution system. To validate the applicability of the proposed algorithm and prove its accuracy, the case study systems were also modeled in the SIMULINK environment for detailed time domain analysis. The algorithm was found to be computationally effective for a load flow analysis of the VISMA microgrid. The results also reveal that the addition of external droop control improves the frequency stability of the system
1,2,2-Trichloroethene-1-sulfonyl fluoride – a versatile synthetic building block
Full text linkSchwefelhaltige Verbindungen stellen eine wesentliche Klasse von Chemikalien dar, die breite Anwendungen in der organischen Synthese, Materialwissenschaft, Agrar- und Medizinchemie finden. In den letzten Jahrzehnten hat die Sulfonylfunktionalität unter den verschiedenen Schwefelverbindungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften besondere Aufmerksamkeit erhalten. Da Halovinylsulfone als äußerst vielseitige Zwischenprodukte in der Synthese etabliert sind, besteht ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung kosteneffizienter und einfacher Methoden zur Herstellung und Erforschung dieser Verbindungen. Obwohl seit 1950 umfangreiche Forschung zu Halovinylsulfonen betrieben wurde, bleiben verschiedene bedeutende Aspekte dieser Chemie unerforscht. Das Ziel der Arbeit war die umfassende Untersuchung der Reaktivität, Stabilität und Selektivität von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylfluorid, das in zwei Schritten durch Chlorosulfinierung von kostengünstigem Trichlorethen synthetisiert wurde, sowie von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylbenzol, das über eine Friedel-Crafts-Reaktion von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylfluorid mit Benzol gewonnen wurde. Hierzu dienten nukleophile vinylogische Substitutionsreaktionen als fundamentale Umwandlungen zur Synthese neuer organischer Verbindungen mit Sulfonylgruppen. Das β-Kohlenstoffatom dieser Verbindungen kann durch den elektronenziehenden Effekt der Sulfonylgruppe aktiviert werden, wodurch beide Chloratome an der C-2-Position durch verschiedene Nukleophile ersetzt werden konnten. Reaktionen mit N-Nukleophilen wie Anilinen führten zur Bildung von Amidinverbindungen, die weitere Reaktionen eingingen, um Phenylsulfonyl-1H-Indole, Sulfonylacetamide und eine neue, effiziente Synthesemethode für 1H-Tetrazolyl-5-amin zu entwickeln. Reaktionen mit S-Nukleophilen wie Thiolen resultierten in Thioethern, während Reaktionen mit bidentaten Nukleophilen zur Synthese von fünf- und sechsringigen Heterocyclen wie Imidazolidinen, 1,3-Dithiolanen, 1,3-Dithianen, 1,3-Oxathiolanen, Benzimidazolen, Benzoxazolen, Benzothiazolen, Chinazolinen und Perimidinen führten. Diese Heterocyclen zeigten Potenzial für weitere Reaktionen und Modifikationen. Ein besonderer Fokus wurde auf die umfassende Untersuchung von 2-[(Benzenesulfonyl)(chloro)methyl]-1H-Benzimidazol gelegt, da dessen Struktur vielseitige reaktive Zentren aufweist. Diese Zentren ermöglichten eine Vielzahl nukleophiler Substitutions- und Additionsreaktionen, die zahlreiche chemische Umwandlungen eröffneten. Die Schwefelfluoridaustauschreaktion (SuFEx) wurde eingehend untersucht, wobei der Einfluss verschiedener Substituenten an der Sulfonylfluoridgruppe auf die Reaktivität organischer Sulfonylfluoride im Mittelpunkt stand. Darüber hinaus wurde die Anpassungsfähigkeit von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylbenzol in verschiedenen chemischen Reaktionen durch die Durchführung von Pd-katalysierten C-C-Kupplungsreaktionen, insbesondere Sonogashira- und Suzuki-Miyaura-Reaktionen, erforscht. In dieser Arbeit wurden insgesamt 130 Verbindungen synthetisiert, identifiziert und charakterisiert. Die mikrobiologische Aktivität der meisten in dieser Forschung präsentierten Verbindungen wurde im Bereich der Pflanzenschutzwissenschaften von BASF Agricultural Solutions untersucht, während die Bewertung antibakterieller, antiviraler und zytotoxischer Eigenschaften am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig durchgeführt wurde. Einige Verbindungen zeigten in ersten Untersuchungen günstige in vivo-Aktivitäten als Insektizide und Fungizide. Darüber hinaus wiesen bestimmte Verbindungen eine vielversprechende Wirksamkeit gegen eine Vielzahl bakterieller Stämme sowie zytotoxische Aktivität auf.Sulfur-containing compounds are an essential class of chemicals with broad applications in organic synthesis, materials science, agricultural and medicinal chemistry. In recent decades, the sulfonyl functional group has received significant attention among various derivatives of sulfur-containing compounds owing to its unique properties. Since halovinyl sulfones have emerged with exceptional versatility as synthetic intermediates, there is a constant interest in formulating cost-effective and straightforward synthetic methods for preparing and studying these specific compounds. Although extensive research has been conducted on halovinyl sulfones since 1950, various significant aspects of this chemistry remain unexplored. The work aimed to comprehensively investigate the reactivity, stability and selectivity of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl fluoride synthesized from chlorosulfination of cost-effective trichloroethene in two steps and 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl benzene, which was derived via Fridel-Crafts reaction of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl fluoride in benzene. To this aim, nucleophilic vinylic substitution reactions served as fundamental transformations for the synthesis of a new array of organic compounds comprising sulfones. β-Carbon of these compounds can be activated due to the electron-withdrawing effect of sulfonyl groups. Therefore, both chlorine atoms at the C-2 position could be replaced by various nucleophiles. Rection with N-nucleophiles such as anilines formed amidines, which underwent further reactions to synthesize phenylsulfonyl-1H-Indoles, sulfonyl acetamides and developing a new and efficient method for the synthesis of 1H-tetrazolyl-5-amine. Reaction with S-nucleophiles such as thiols resulted in thioethers and reactions involving bidentate nucleophiles led to syntheses of five and six-membered heterocycles, including imidazolidines, 1,3-dithiolanes, 1,3-dithianes, 1,3-oxathiolanes, benzimidazoles, benzoxazoles, benzothiazoles, quinazolines and perimidines. These heterocycles exhibited potential for additional reactions and modifications. The extensive examination was directed towards 2-[(benzenesulfonyl)(chloro)methyl]-1H-benzimidazole due to its structural versatility with distinct reactive sites. These sites facilitated a diverse range of nucleophilic substitution and addition reactions, which presented prospects for manifold chemical transformations. The sulfur fluoride exchange reaction (SuFEx) was accurately studied with a specific focus on the influence of different substituents attached to the sulfonyl fluoride on the reactivity of organic sulfonyl fluorides. Furthermore, to comprehensively explore the adaptability of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl benzene across diverse chemical reactions, an exploration into the implementation of Pd-catalyzed C-C coupling reactions, especially Sonogashira and Suzuki-Miyaura reactions was undertaken. In this work, a total number of 130 compounds were synthesized, identified and characterized. The microbiological activity of the majority of the compounds presented in this research was examined in the field of crop science by BASF Agricultural Solutions and the assessment of antibacterial, antiviral and cytotoxic properties was undertaken at the Helmholtz Centre for Infection Research in Braunschweig. Several compounds exhibited favorable activity in vivo as insecticides and fungicides during the initial investigation. Additionally, certain compounds demonstrated promising efficacy against a spectrum of bacterial strains and showed cytotoxic activity
Operating deep mines safely: TUC-lectures on underground mine safety and emergency response
Full text linkState-of-the-art mine safety and competent emergency preparedness are essential elements of responsible, productive, healthy, and profitable underground mining. After a brief introduction to the history and theory of occupational safety and health (OSH), the first part of the book presents the skills necessary for a mine manager to safely manage an underground operation. The objectives are to train employees in occupational safety and to effectively lead, instruct and supervise them. A further objective is to improve their risk competence and prepare a health and safety document that includes hazard identification, risk assessment and associated measures for underground workplaces and procedures. The main risks in underground mining are presented in concise overviews that cover appropriate technical, organizational and individual safety measures. These topics are then explored in more detail in workplace inspection leaflets. Due to the international nature of the TUC's master's program, the literature and legislation cited on occupational safety and health is primarily from Anglo-Saxon sources, including publications of the International Labour Office (ILO) in Geneva. In addition, the first part contains footnotes with relevant German sub-legal regulations for the interested reader. The second and third parts of the book are a practical guide to underground emergency response, i.e. fire and explosion protection, mine rescue and self-rescue. The focus is on deep underground mines, particularly deep collieries. Here, methane production and spontaneous coal combustion, and the associated explosion hazards, are at the heart of the mine safety challenges. In addition, the work of the mine rescue brigade is subject to severe climatic conditions, which require both miners and rescuers to be physically fit and to have the appropriate physiological knowledge and safety rules. However, the priority today is to promote the ability of the workforce to rescue and evacuate themselves in the event of an emergency. This can be achieved by implementing appropriate, i.e. advanced, fire and explosion safety measures. In addition to the authors' own planning and operational experience, the second and third parts of the book are based on practice-oriented technical papers from German mine rescue centers and mining research institutes, as well as on relevant technical regulations issued by German mining authorities. Due to its specific local origin and importance, this literature has mainly been published in German. Tables summarize specific contexts and topics for quick reference
Beitrag zur Entwicklung einer soziotechnisch basierten Monitoring-konzeption für ein Tiefen-/Endlager zur Entsorgung hochradioakti-ver Abfälle auf der Grundlage eines transdisziplinären Forschungs-ansatzes
Full text linkDie langzeitsichere Entsorgung hochradioaktiver Abfälle in Deutschland ist eine Herausforderung, die bis-her entweder aufgrund unzulänglicher technischer Rahmenbedingungen oder aber des zivilgesellschaftli-chen Widerstands weitgehend gescheitert ist. Aus dieser Erkenntnis heraus ist für die Endlagerung der hochradioaktiven Abfälle mit dem heutigen Standortauswahlgesetz ein partizipatives, wissenschaftsbasier-tes, transparentes, selbsthinterfragendes und lernendes Verfahren entwickelt worden, welches damit sowohl technische als auch gesellschaftliche Aspekte berücksichtigt und durch verstärkte Einbeziehung der Öffent-lichkeit Vertrauen in die jeweiligen Entscheidungen und damit auch in die Planungen und ausführenden Arbeiten vor Ort zur Gewährleistung der Endlagersicherheit schaffen soll. Eine unterstützende Kompo-nente auch mit Blick auf die Vertrauensbildung in der Zivilgesellschaft zur Demonstration der Sicherheit eines Endlagers ist dabei das Endlagermonitoring, d.h. die aktive Beobachtung der Tiefenlagerentwicklung während und auch noch einige Zeit nach dem Ende der Einlagerung der Abfälle in das Tiefenlager-/Endla-gerbergwerk. Ausgehend von dieser neuartigen Perspektive auf ein Tiefen-/Endlager als einem soziotechnischen Kon-strukt befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer soziotechnisch basierten Endlagermonitoring-konzeption, die gesellschaftliche Anforderungen an das Monitoring sowie technische Erfordernisse unter Berücksichtigung von Möglichkeiten und Grenzen des Monitorings gleichermaßen berücksichtigt. Das zi-vilgesellschaftlich aktiv begleitete Monitoring des Tiefenlagers hat dabei zwei Funktionen: einerseits die gemeinsame Überwachung des Tiefenlagerverhaltens in seiner Entwicklung bis zur finalen Überführung in ein dann nicht mehr untertägig zu überwachendes Endlager, andererseits die Schaffung von Transparenz und Vertrauen in die Entscheidungsprozesse. Im Rahmen dieser Arbeit ist auf der Grundlage eines transdisziplinären Forschungsansatzes, das bedeutet unter Einbezug außerwissenschaftlicher Akteure in den wissenschaftlichen Forschungsprozess, in einem ergebnisoffenen Diskurs zu Aspekten des Endlagermonitorings geforscht worden. Hierzu sind zusammen mit einer Gruppe von 16 Vertretern der interessierten Öffentlichkeit, der sogenannten ArbeitsGruppeBe-völkerung (AGBe), in drei transdisziplinären Workshops vertrauensfördernde Aspekte eruiert und danach dann ihre Ausgestaltung bei der Entwicklung eines soziotechnisch basierten Endlagermonitoringkonzeptes bearbeitet worden. Zu Beginn wurde ausgehend von einer Literaturanalyse zu bestehenden technischen Möglichkeiten und Grenzen des Endlagermonitorings, deren Ergebnisse didaktisch reduziert der AGBe zugänglich gemacht worden sind, grundlegende vertrauensfördernde Aspekte des Endlagermonitorings identifiziert. Die in die-sem ersten Workshop identifizierten Aspekte und Wünsche zu der Thematik des Monitorings sind dann in den nachfolgenden zwei weiteren transdisziplinären Workshops aufgenommen und vertieft bearbeitet wor-den. Das Ergebnis aus diesem transdisziplinären Forschungsprozess ist die Herausarbeitung sowohl tech-nischer als auch sozialer Anforderungen, die aus der Perspektive der AGBe relevant für die Entwicklung einer soziotechnisch basierten Endlagermonitoringkonzeption sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse sind transdisziplinär sowohl ein erstes Konzept eines Partizipativen Endla-gerobservatoriums (PEO) wie auch ein Konzept eines vertrauensfördernden Entscheidungsfindungsprozes-ses entwickelt worden. Darüber hinaus wurde das technische Konzept des 2-Sohlen-Endlagerbergwerks (Einlagerungssohle in Verbindung mit einer Überfahrungssohle zur Durchführung von längerfristigen Monitoringmaßnahmen) in den Diskurs aufgenommen, weiterentwickelt und rechnerisch untersucht. Gleichzeitig wird damit exemp-larisch aufgezeigt, wie durch TH2M-gekoppelte Simulationen zum Endlagerverhalten Zustandsgrößen identifiziert werden können, die als Indikatoren die sichere Entwicklung des Endlagers charakterisieren und die gleichzeitig bei Anordnung eines darauf zugeschnittenen Monitoringprogramms im Vergleich zu durch das Monitoring in situ ermittelten Messgrößen die tatsächlich sichere Entwicklung belegen bzw. zeit- und ortsnah eine Fehlentwicklung erkennen lassen können. Damit kann mit dieser konzeptionellen Erweiterung des Tiefen-/Endlagerbergwerks um eine Monito-ringsohle in Verbindung mit Monitoringbohrlöchern eine weitere Strategieoption für das Endlagermonito-ring bereitgestellt werden, die auch bereits im Rahmen derzeitig verfügbarer Monitoring-Möglichkeiten (Messtechnik, Datenübertragung) den Anforderungen der AGBe nach Partizipation, Überwachung und Transparenz gerecht werden kann.The long-term safe disposal of highly radioactive waste in Germany is a challenge that has so far largely failed either due to inadequate technical framework conditions or opposition from civil society. Based on this realisation, a participatory, science-based, transparent, self-questioning and learning process has been developed for the final disposal of highly radioactive waste with the current Site Selection Act, which takes into account both technical and social aspects and is intended to create trust in the respective decisions and thus also in the planning and implementation work on site to ensure the safety of the final repository by increasing the involvement of the public. A supporting component is repository monitoring, i.e. the obser-vation of deep geological repository development during and for some time after the end of waste emplace-ment in the deep geological repository mine. With a current and positive long-term safety assessment of the deep geological repository based on the safety case and, if necessary, additionally supported by taking into account the observed development of the deep geological repository, the deep geological repository is then also transferred to a final repository. Based on this new perspective on a deep geological repository as a socio-technical construct, this work deals with the development of a socio-technically based repository monitoring concept that takes equal account of social requirements for monitoring and technical requirements, taking into account the possibil-ities and limitations of the monitoring. The monitoring of the deep geological repository, which is actively accompanied by civil society, has two functions: on the one hand, the joint monitoring of deep geological repository behaviour in its development up to the final transfer to a repository that is then no longer moni-tored, and on the other hand, the creation of transparency and trust in the decision-making processes. In the context of this work, research on aspects of repository monitoring has been conducted on the basis of a transdisciplinary research approach, i.e. with the involvement of non-scientific actors in the scientific research process, in an open-ended discourse. Together with a group of 16 representatives of the interested public, the so-called Arbeitsgruppe Bevölkerung (AGBe), trust-promoting aspects were identified in three transdisciplinary workshops and then worked on their design in the development of a socio-technically based repository monitoring concept. To begin with, a literature analysis of existing technical possibilities and limitations of repository monitor-ing, the results of which were didactically reduced and made accessible to the AGBe, was used to identify fundamental aspects of repository monitoring that promote trust. The aspects and wishes identified in this first workshop on the subject of monitoring were then taken up and dealt with in greater depth in the two subsequent transdisciplinary workshops. The result of this transdisciplinary research process is the elabo-ration of both technical and social requirements that are relevant for the development of a socio-technically based repository monitoring concept from the perspective of AGBe. Based on and taking into account these findings, both an initial concept for a participatory repository ob-servatory (PEO) and a concept for a confidence-inspiring decision-making process based on monitoring data to support operational decisions such as the decision to start the emplacement phase, continue em-placement, increase or decrease the monitoring, transfer to a repository or, if necessary, retrieval have been developed on a transdisciplinary basis. In addition, the technical concept of the 2-level repository mine (emplacement level in conjunction with an additional level for the implementation of longer-term monitoring measures) further developed and ana-lyzed mathematically with regard to the additional spatial utilization of the host rock formation caused by the additional level and the resulting additional stress on the host rock with regard to ensuring barrier in-tegrity even under the framework conditions of a 2-level repository mine. At the same time, this is an example of how TH2M-coupled simulations of repository behaviour can be used to identify safety-relevant state variables that characterise the safe development of the repository as indicators which, at the same time, can provide evidence of the actual safe development or allow an undesirable development to be iden-tified in a timely and localised manner when a monitoring program tailored to this is set up in comparison to the measured variables determined by in-situ monitoring. With this conceptual extension of the repository mine by a monitoring-level in conjunction with monitoring boreholes, a further strategy option for repository monitoring can be provided, which can already fulfil the requirements of the AGBe for participation, monitoring and transparency within the framework of currently available monitoring options (measurement technology, data transmission)
A thermodynamics-based computational framework for the solidification simulation of Li-Al-Si-Ca-Mn-O slags to enhance lithium recycling efficiency
Full text linkDurch die zunehmende Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) im Energiesektor steigt auch die Menge an ausgedienten Batterien rapide an, was eine Rückgewinnung kritischer Rohstoffe erforderlich macht. Die integrierte pyro-hydrometallurgische Prozesstechnik ermöglicht eine effiziente Rückgewinnung wertvoller Elemente wie Kobalt und Nickel durch Ausbildung einer Legierungsphase. Die Rückgewinnungseffizienz für Lithium, das teilweise in die Schlacke übergeht, stellt eine besondere Herausforderung dar, da Lithium während der Schlackenerstarrung auf verschiedene Phasen und räumliche Bereiche verteilt wird. Die gezielte Anreicherung von Lithium in einer definierten Festkörperphase während der Erstarrung, sowie die Erhöhung dieses Phasenbestandes in einem bestimmten räumlichen Bereich des Reaktors, stellen eine innovative Lösung zur Steigerung der techno-ökonomischen Produktivität des thermischen Verfahrens in Bezug auf Lithium-Rückgewinnung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines thermodynamisch basierten Multiskalenmodells, das ein umfassendes Verständnis und eine Optimierung des Erstarrungsprozesses des Li-Al-Si-Ca-Mn O-LIBs-Schlackensystems im pyrometallurgischen Prozess ermöglicht, wobei der Fokus aufder Zielphase γ-LiAlO2 liegt. Auf lokaler Skala wird dieses Schlackensystem unter der Annahme eines lokalen thermodynamischen Gleichgewichts unter Verwendung einer neu evaluierten Datenbasis mit der Calphad-Methode (Calculation of Phase Diagrams) modelliert. Dadurch lassen sich die Auswirkungen lokaler Temperaturvariationen und unterschiedlicher Mengen an Flussmitteln und Schlackenbildnern wie CaO und SiO2 auf die Bildung der Zielphase verstehen und erklären. Der Lithiumverlust durch Verdampfung, der während der Hochtemperaturbehandlung geschieht, und die Löslichkeit von SiO2 in γ-LiAlO2, welche die nachgelagerten Prozesse wie die Flotation behindert, werden berücksichtigt. Das neu entwickelte thermodynamisch basierte Multiskalenmodell verbindet auf konsistente Weise die lokale mit der globalen Skala und berücksichtigt verschiedene Prozessbedingungen, Reaktionskammern, chemische Zusammensetzungen und zeitabhängige Kühlstrategien. Damit können inhomogene Temperaturfelder, Strömungsfelder und Phasenverteilungen berechnet werden, wodurch eine Optimierung der Kühlungsprozessführung und der gerichteten Erstarrung durchgeführt wird, um γ-LiAlO2 in gezielten räumlichen Bereichen der erstarrten Schlacke mit hohen Phasenbeständen zu generieren. Anhand einer bestimmten Ton-Graphit Reaktionskammer in Kombination mit einer optimierten Schlackenzusammensetzung wird gezeigt, wie durch gerichtete Erstarrung eine Zielphasenkonzentration von über 70% in einem vordefinierten räumlichen Bereich erreicht werden konnte.Given the extensive application of lithium-ion batteries (LIBs) within the energy sector, the volume of end-of-life units is experiencing a rapid increase, thereby necessitating the recycling of critical raw materials. The integrated pyro-hydrometallurgical technology demonstrates considerable efficacy in reclaiming valuable elements such as cobalt and nickel, among others, which constitute LIBs, by forming an alloy phase. Nevertheless, the recovery efficiency for lithium, partially transferred to the slag phase, presents specific challenges. A primary obstacle is the substantial dilution of lithium, as it is dispersed across multiple phases and spatial regions during slag solidification. Therefore, targeted enrichment of lithium within a designated phase during solidification, coupled with the concentration of this phase within a certain spatial region of the slag reactor, may constitute a potential strategy to enhance the techno-economic viability of the recovery process by simplifying downstream procedures. The aim of this thesis is to develop a thermodynamics-based computational framework that enables a comprehensive understanding and optimization of the solidification process of the Li-Al-Si-Ca-Mn-O spent LIBs slag system within the pyrometallurgical processing route, with a particular focus on the target phase, γ-LiAlO2. At the local scale, this slag system is modeled using the Calphad (Calculation of Phase Diagrams) method under the assumption of local thermodynamic equilibrium, utilizing a re-evaluated database. As a result, the effects of local temperature variations and different amounts of fluxes and slag formers, such as CaO and SiO2, on the formation of the target phase can be understood and explained, while accounting for the lithium loss through evaporation during high-temperature treatment and the solubility of SiO2 within γ-LiAlO2, which hampers downstream processes like froth flotation. The newly developed multiscale modeling framework bridges the local with global scale and accounts for various process conditions, reaction chambers, chemical composition, and time-dependent external cooling strategies. This allows inhomogeneous temperature fields, flow fields, and phase distributions to be calculated, enabling optimization of the cooling process control and directional solidification to generate γ-LiAlO2 in targeted spatial areas of the solidified slag with high phase contents. A specific clay-graphite reaction chamber combined with an optimized slag composition shows, how directional solidification was used to achieve a target phase concentration of over 70% in a predefined spatial area
Beitrag zur Ermittlung von Lastannahmen für eine betriebsfeste Auslegung eines selbstfahrenden Feldhäckslers
Full text linkFür eine betriebsfeste Auslegung von Maschinen sind verlässliche Lastdaten unabdingbar. Nur mit den Informationen über die Lasthöhe und der Auftretenshäufigkeit kann eine ressourcenschonende Auslegung erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wird die Lastdatenermittlung für einen selbstfahrenden Feldhäcksler in den Produktentwicklungsprozess eingeordnet. Es werden eine Methodik beschrieben und unterschiedliche Möglichkeiten vorgestellt, um Lastdaten für einen selbstfahrenden Feldhäcksler zu erfassen. Die messtechnische Erfassung von Lastdaten wird anhand einer umfangreichen Messkampagne während einer Maisernte beschrieben. Die Präsentation der erfassten Ergebnisse erfolgt auf verschiedene Arten. Zum einen werden Nutzungsprofile dargestellt, also Informationen, wie groß die Zeitanteile in unterschiedlichen Fahrzuständen sind. Zum anderen werden Darstellungen gezeigt, die Aussagen über die jeweilige Lasthöhe beinhalten. Dazu werden Kollektive präsentiert, die sowohl die Lasten aus den Gesamtdaten als auch aus einzelnen Fahrzuständen abbilden. Darüber hinaus wird eine Ersatzgröße in Form einer Spannung am Achskörper berechnet, durch die die sechs Freiheitsgrade pro Rad auf einen Freiheitsgrad reduziert werden. Die Zuordnung der Lasten zu den Fahrzuständen erfolgt mit Hilfe einer Rainflowzählung, bei der die zeitliche Information der einzelnen Schwingspiele erhalten bleibt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Mehrkörpersimulationsmodell aufgebaut und beschrieben. Die Güte des Modells wird anhand der zuvor beschriebenen Messungen bewertet. Das Simulationsmodell zeigt dabei gute Übereinstimmungen mit der realen Maschine. Mögliche Gründe für Abweichungen werden identifiziert und Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Eine weitere beschriebene Vorgehensweise zur Lastdatenermittlung ist die indirekte Lastdatenermittlung mit Hilfe der Ergebnisse einer Systemidentifikation. Durch das aufgebaute Systemverständnis der Gesamtmaschine oder einzelner Baugruppen können Maschinen mit reduziertem Messtechnikaufwand genutzt werden, um umfangreiche Lastdaten zu ermitteln. Dazu wird ein Vorgehen präsentiert, mit dem Lasten am Fahrwerk bestimmt werden, die als Eingangsgröße für eine indirekte Lastdatenermittlung dienen können. Für jede der präsentierten Vorgehensweisen zur Lastdatenermittlung werden zunächst die theoretischen Grundlagen beschrieben, die im weiteren Verlauf angewendet werden.Reliable load data is essential for the fatigue design of machines. A resource-saving design can only be realised with the information about the load height and the frequency of occurrence. In this paper, the determination of load data for a self-propelled forage harvester is categorised in the product development process. A methodology is described and various options for recording load data for a self-propelled forage harvester are presented. The recording of load data is described on the basis of an extensive measurement campaign during a maize harvest. The recorded results are presented in different ways. On the one hand, utilisation profiles are presented, i.e. information on how much time is spent in different driving states. On the other hand, the results are presented in diagrams that contain statements about the respective load height. For this purpose load spectra are presented that depict both the loads from the overall data and from individual driving states. In addition, a substitute value is calculated in the form of a calculated stress on the axle beam, which reduces the six degrees of freedom per wheel to one degree of freedom. The loads are assigned to the driving states with the use of rainflow counting, which retains the temporal information of the individual cycles. A multi-body simulation model is set up and described as part of this work. The quality of the model is evaluated based on the described measurements with the real machine. The simulation model shows good conformity with the real machine. Possible reasons for deviations are identified and optimisation options are pointed out. Another described procedure for load data determination is indirect load data determination with the help of system identification. By building up a system understanding of the entire machine or individual assemblies, machines can determine extensive load data with reduced measurement technology effort. To this end, a procedure is presented for determining loads on the chassis that can serve as an input variable for indirect load data determination. For each of the load data determination procedures presented, the theoretical principles are first described, which are then applied and explained in more detail
Ein Konzept zum Nachweis der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile unter Berücksichtigung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens
Full text linkFür den Ermüdungsfestigkeitsnachweis geschweißter Bauteile nach den Berechnungsalgorithmen der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens, kurz Richtlinie Nichtlinear, wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht. Während für nicht geschweißte Bauteile die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve und Werkstoff-Schädigungsparameterwöhlerlinie aus der Zugfestigkeit abgeleitet werden, wird für Schweißverbindungen die Vickershärte als quasi-statische Werkstoffgröße gewählt, um Werkstoffinhomogenitäten zu berücksichtigen. Ein linearer Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Vickershärte wurde definiert und die zyklischen Werkstoffeigenschaften an einer Datenbasis mit dehnungsgeregelten Versuchen untersucht. Mit der Modifizierten FKM-Methode wird eine Abschätzmethode vorgestellt um zyklische Werkstoffkennwerte und Schädigungsparameterwöhlerlinien direkt aus der Vickershärte abzuschätzen. Die Arbeit umfasst auch die Untersuchung der Modellierung von Schweißnähten, wobei die Modelle von gescannten Schweißnähten zu Geometrien mit Ersatzradien abstrahiert wurden. Mit den verschiedenen Modellen wurden sowohl elastisch-plastische als auch linear-elastische FE-Simulationen mit nachgelagerter Kerbnäherung zur Ermittlung von Bauteilfließkurven untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von gescannten Modellen und elastisch-plastischen Simulationen nicht immer zu besseren Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen führen. Weiterhin wurde der Einfluss der Mittelspannungsempfindlichkeit in Abhängigkeit der Eigenspannungen untersucht, die Dauerfestigkeit geschweißter Bauteile berücksichtigt und die Anpassungen am Berechnungskonzept der Richtlinie Nichtlinear vorgenommen. Der angepasste Berechnungsalgorithmus wurde experimentell ermittelten Wöhler- und Gaßnerversuchen gegenübergestellt und zeigt eine gute Treffsicherheit. Abschließend wurde an einer mit Versuchsreihen aus der Literatur erweiterten Datenbank das Sicherheitskonzept überprüft, um auch für geschweißte Bauteile abgesicherte rechnerische Lebensdauern zu ermitteln.For the analytical fatigue assessment of welded components based on the notch strain approach published in the Analytical Strength Assessment of Components Under Explicit Consideration of Nonlinear Material Behavior various influencing variables were investigated. While the cyclic stress-strain curve and material damage parameters Wöhler curve are derived from the tensile strength for non-welded components, the Vickers hardness is selected as a quasi-static material parameter for welded joints in order to take material homogeneities into account. A linear relationship between tensile strength and Vickers hardness was defined and the cyclic material properties were investigated on a database with strain-controlled tests. With the assessment an estimation method is presented to estimate cyclic material properties and damage parameter curves directly from the Vickers hardness. This thesis also includes the investigation of the modeling methods for welds, where the models were abstracted from scanned welds to geometries with equivalent radii. The different models were used to investigate both elastic-plastic and linear-elastic FE-simulations with notch approximation methods to determine local stresses and local elastic-plastic strains. The results show that the use of scanned models and elastic-plastic FE-simulations does not regularly lead to better matching analytical and experimental results. Furthermore, the mean stress sensitivity as a function of the residual stresses was analysed and the fatigue strength of welded components was examined and adjustments were made to the algorithm of the fatigue assessment. The analytical results of the adapted fatigue assessment were compared with experimentally determined service lifes and showed good accuracy. Finally, the safety concept was checked using a database extended with test series from the literature in order to determine verified calculated service lifes for welded components as well
Mechanistic insights and process-level optimization and upscaling of novel reagents in flotation: colloidal silica as a calcite depressant in the froth flotation of semi-soluble salt-type minerals
Full text linkDie Dissertation untersucht, wie die Einführung, mechanistische Analyse sowie die prozessuale Optimierung neuartiger Flotationsreagenzien dazu beitragen können, die Mikroprozesse der Schaumflotation besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Kolloidales Siliziumdioxid wurde als Modellreagenz ausgewählt, um seine Wirksamkeit und Wirkmechanismen als neuartiger Kalzit-Drücker in der Flotation halblöslicher Salzminerale zu evaluieren. Die Arbeit verknüpft grundlegende mechanistische Untersuchungen mit prozessnaher Anwendung und industrieller Validierung und liefert damit einen Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Schaumflotation als hochkomplexes, dynamisch gekoppeltes System aus Mikroprozessen in Suspension und Schaumphase. Die experimentellen Studien umfassten Mikro- und Batchflotation, Zeta-Potential- und dynamische Oberflächenspannungsmessungen, Rasterkraftmikroskopie, in-situ-Blasengrößenanalysen, dynamische Schaumcharakterisierung sowie partikelbasierte Modellierungen. Die Ergebnisse zeigen ausgeprägte mineralartspezifische Reaktionsmechanismen gegenüber kolloidalem Siliziumdioxid: Auf Kalzit lagerten sich Nanopartikel lokal an und bildeten anisotrope, ortsspezifische Strukturen, während bei Apatit ein Auflösungs- und Wiederabscheidungsmechanismus dominierte. Scheelit und Fluorit zeigten hingegen nur minimale Oberflächenmodifikationen. Diese Unterschiede sind auf Variationen in Oberflächenrauigkeit, Hydratationsverhalten und Kristallstruktur zurückzuführen, wobei Kalzit eine besonders günstige Oberfläche für die Anlagerung kolloidaler Siliziumdioxidpartikel bietet. Mechanistisch wurde gezeigt, dass insbesondere aluminatmodifiziertes kolloidales Siliziumdioxid mit hoher spezifischer Oberfläche sowohl die Suspensionsphase als auch die Schaumphase maßgeblich beeinflusst. Es erzeugt kleine und stabile Blasen, stabilisiert die Schaumstruktur und drückt Kalzit selektiv. Die Wirksamkeit hängt stark von der kolloidalen Stabilität und dem Aggregationsverhalten ab, die wiederum durch den pH-Wert sowie durch die Anwesenheit mehrwertiger Kationen gesteuert werden. Unter solchen Bedingungen fördert aluminatmodifiziertes kolloidales Siliziumdioxid die Ausbildung kohäsiver und gelartiger Grenzflächenstrukturen, welche im Vergleich zu nicht funktionalisiertem und zu silanmodifiziertem kolloidalem Siliziumdioxid kleinere und stabilere Blasen erzeugen und einen deutlich stabileren Schaum mit verlangsamter Wasserdrainage bewirken. Insgesamt verdeutlicht die Arbeit, dass die Wirkung von kolloidalem Siliziumdioxid durch mehrere eng miteinander verbundene Subprozesse bestimmt wird. Die Übertragung der Laborergebnisse in den großtechnischen Maßstab gelang mithilfe eines neu entwickelten Optimierungs- und Hochskalierungskonzepts, das Labor-, Pilot- und Industrieversuche systematisch integriert. Der Workflow kombiniert statistische Versuchsplanung mit numerischer Optimierung. Das in der Batchflotation gewonnene Prozessverständnis ermöglichte es, die Zahl der im Pilot- und Industriemaßstab zu variierenden Parameter erheblich zu reduzieren, ohne an Aussagekraft zu verlieren. Im Pilotmaßstab konnte mit einem vereinfachten numerischen Optimierungsalgorithmus ein optimaler Parameterbereich präidentifiziert werden, der anschließend industriell validiert wurde. Das optimierte Reagenziensystem führte in industriellen Tests zu einer Steigerung des WO₃ Gehalts um 13 % sowie zu einer Erhöhung der Ausbeute um 2 bis 3 %, was eine schnelle industrielle Implementierung bei minimalem Betriebsrisiko ermöglichte. Gleichzeitig zeigte sich eine deutliche Sensitivität der Reagenzienleistung gegenüber Erzvariabilität. Die Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, Reagenzien nicht isoliert an Einzelmineralen oder in einzelnen Mikroprozessen zu bewerten, sondern stets im Kontext des gesamten Flotationssystems. Sie plädiert daher für einen Paradigmenwechsel von einer rein mineralzentrierten hin zu einer systemischen Betrachtungsweise der Flotation: Reagenzien wirken nicht nur chemisch an der Partikeloberfläche, sondern steuern das Zusammenspiel physikalischer und chemischer Subprozesse in Suspension und Schaumphase. Dieses systemische Verständnis bildet die Grundlage für die Entwicklung robuster, skalierbarer und industriell umsetzbarer Reagenzienstrategien.The dissertation investigates how the introduction, mechanistic evaluation, process-level optimization, and industrial upscaling of novel flotation reagents can deepen the understanding of the coupled subprocesses that govern froth flotation. Colloidal silica was selected as a model system to study its effectiveness and underlying mechanisms as a selective depressant for calcite in the flotation of semi-soluble salt-type minerals. The work bridges fundamental mechanistic insight with process-oriented application and industrial validation, contributing to an integrated understanding of froth flotation as a multi-scale, interactive process involving interlinked pulp and froth phases. The experimental plan combined micro- and batch flotation with complementary analytical techniques, including zeta potential and surface tension measurements, atomic force microscopy, in-situ bubble size analysis, dynamic froth analysis, and particle-based process modeling. The results reveal distinct mineral-specific surface reactions upon colloidal silica treatment. On calcite, the nanoparticles adsorbed locally and formed anisotropic, site-specific templated structures on the surface, whereas apatite exhibited a dissolution–reprecipitation mechanism. Scheelite and fluorite surfaces showed only minor interaction with colloidal silica. These contrasting behaviors originate from differences in surface roughness, hydration behavior, and crystal structure, with calcite providing particularly favorable conditions for colloidal silica attachment. Mechanistically, it was shown that aluminated-modified colloidal silica with a high specific surface area has a decisive influence on both the suspension phase and the froth phase. It generates small and stable bubbles, stabilises the froth structure, and selectively depresses calcite. Its effectiveness strongly depends on colloidal stability and aggregation behaviour, which in turn are controlled by the pH value and the presence of multivalent cations. Under such conditions, aluminated-modified colloidal silica promotes the formation of cohesive, gel-like interfacial structures which, compared to non-functionalised and silane-modified colloidal silica, produce smaller and more stable bubbles and yield a more stable froth with slowed water drainage. Overall, the work demonstrates that the action of colloidal silica is governed by several closely interconnected subprocesses. The transfer of the laboratory results to the industrial scale was achieved using a newly developed optimisation and upscaling concept that systematically integrates laboratory, pilot, and industrial trials. The workflow combines statistical experimental design with numerical optimisation. The process understanding gained from batch flotation made it possible to substantially reduce the number of parameters that needed to be varied at the pilot and industrial scales without losing accuracy. At the pilot scale, a simplified numerical optimisation algorithm enabled the pre-identification of an optimal parameter region, which was subsequently validated under industrial conditions. The optimized reagent system led to a 13 % increase in WO₃ grade and a 2 to 3 % increase in recovery during industrial tests, enabling rapid industrial implementation with minimal operational risk. At the same time, the reagent performance showed a pronounced sensitivity to ore variability. The work highlights the necessity of evaluating reagents not in isolation on single minerals or individual microprocesses, but always within the context of the entire flotation system. It therefore calls for a paradigm shift from a purely mineral-centred toward a system-level perspective of flotation: reagents do not act solely through chemical interactions at the particle surface, but govern the interplay of physical and chemical subprocesses in both the suspension and the froth phase. This system-oriented understanding provides the foundation for the development of robust, scalable, and industrially implementable reagent strategies